汽车性能与使用技术第2章

第二章发动机的换气过程第一节四冲程发动机的换气过程第二节影响换气过程的因素第三节改善换气过程的措施第四节发动机的进气增压一、换气过程发动机运行时，在换气时间内，要使排气干净，进气充足是比较困难的。为了增加气门开启时间，充分利用气流的流动惯性以及减少换气损失，改善换气过程，提高发动机性能，进、排气门一般都提前开启，滞后关闭，不受活塞行程的限制。整个换气过程超过两个冲程，占曲轴转角410°～490°根据气体流动特点和过排气门运动规律，换气过程分为自由排气、强制排气和进气过程三个主要阶段，如图2-1所示1．自由排气阶段从排气门在下止点前开始开启，到气缸内压力接近排气管压力这个时期，称为自由排气阶段。如图2-1中b点所示，气门开启时，气缸内压力较高(大于排气管压力2倍以上)，可利用废气自身的压力自行排出。此时，排气流处于超临界状态，流过排气门处的气体流速，等于在该处气体状态下的音速。第一节四冲程发动机的换气过程下一页返回其流量只决定于气门开启面积，并和气体状态有关，与排气门前后的压差无关。随着活塞的推移，缸内压力不断下降，当缸内压力与排气管压力之比为1.9以下时，排气流进入亚临界状态，排气量由气缸压力和排气管内的压力差来决定，压力差越大，排出的废气量越大。当到某一时刻，气缸内压力与排气管内压力相等时，自由排气阶段结束，一般在下止点后10°～30°曲轴转角。此阶段虽然历程较短，但废气流速很高，排出的废气量可达到60%以上2.强制排气阶段这个阶段是由上行的活塞强制将废气推出。此时流速取决于气缸内外的压力差，压差越大，气流速度越大，但耗功也越多排气门一般在上止点后10°～35°曲轴转角才关闭，这主要是因为在上止点附近，废气尚有一定流动能量，可利用气流惯性进一步排气，减少缸内残余废气量，同时还可以减少排气阻力。第一节四冲程发动机的换气过程上一页下一页返回3.进气过程为了使新鲜空气充量更顺利地进入气缸，尽可能保证在活塞下行时有足够大的进气截面积，减小进气阻力，进气门一般在上止点前40°～70°曲轴转角打开。为了利用高速气流的惯性，进气门通常在下止点后40°～70°曲轴转角才关闭，以增加进气量。4.气门叠开排气门的滞后关闭和进气门的提前开启，使得在上止点附近一定的曲轴转角范围内，存在着进、排气门同时开启的现象，称为气门叠开。气门叠开角一般为20°～60°曲轴转角。适当的气门叠开角，不但可以增加新鲜空气充量，而且可以利用新气帮助清除废气，减少气缸中废气量。叠开角过大可能发生废气倒流入进气管中。二、换气损失换气过程的损失包括排气损失和进气损失，如图2-2所示第一节四冲程发动机的换气过程上一页下一页返回1.排气损失排气损失是从排气门提前打开，直到进气冲程开始，气缸内压力到达大气压力之前，循环功的损失。它可分为：(1)自由排气损失(图2-2中面积Ⅰ)，是由于排气门提前打开而引起的膨胀功的减少(2)强制排气损失(图2-2中面积Ⅱ)，是活塞上行强制推出废气所消耗的功随着排气提前角增大，自由排气损失面积I增加，强制排气损失面积II减小，如排气提前角减少，则强制排气损失面积增加。所以最有利的排气提前角应使面积(Ⅰ+Ⅱ)之和为最小。减少排气损失的主要措施：减小排气系统阻力和排气门处的流动损失。第一节四冲程发动机的换气过程上一页下一页返回2.进气损失进气损失主要是指进气过程中，因进气系统的阻力而引起的功的损失。如图中面积Ⅲ所示，它与排气损失相比相对较小。排气损失与进气损失之和，称为换气损失，即图2-2中面积(Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ)。在实际循环示功图中，把面积(Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ)相当的负功，称为泵气损失。三、换气过程的评定指标充量和充量系数是发动机换气过程的主要评定指标1。充量充量即充气量，是指在进气过程中，充入气缸的新鲜空气或可燃混合气，常用每循环充量和单位时间充量来表示。(1)每循环充量。每循环充量是指发动机在每一个循环的进气过程中，实际进入气缸的新鲜气体(空气或可燃混合气)的质量，即循环实际充量第一节四冲程发动机的换气过程上一页下一页返回(2)单位时间充量。单位时间充量是指每小时进入气缸的新鲜气体的质量。如果每循环充量保持不变，则转速增加，单位时间充量会直线增加，发动机功率也会不断增加。但是，当转速增加时，每循环充量不可避免地要降低，以至于单位时间充量的增加逐渐缓慢。当转速增到某一数值后，单位时间充量达到最大值(此时进气流速达到音速)，充量基本保持不变。2。充量系数发动机每一工作循环进入气缸的实际充量，与进气状态下能充满气缸工作容积的理论充量的比值，称为充量系数所谓进气状态，是指空气滤清器后进气管内的气体状态。为测量方便，在非增压发动机上，一般都采用当时的大气状态；在增压发动机上，采用增压器出口的状态第一节四冲程发动机的换气过程上一页下一页返回充量系数与发动机的气缸容积无关。因此，可用来评定不同排量发动机换气过程好坏。充量系数越大，每循环实际充量越多，每循环可燃烧的燃料随之增加，动力性越好一般发动机的充气系数值：汽油机为0.7～0.85；柴油机为0.75～0.9。为残余废气系数，指每循环残留在气缸内的废气量与新鲜充量之比。第一节四冲程发动机的换气过程上一页返回充量系数对发动机的功率、转矩影响很大，因此，分析影响充量系数的因素具有重要意义。影响因素有进气终了压力pa及温度Ta、大气的压力p0及温度T0、压缩比ε、排气终了压力Pr及温度Tr等。其中影响最大的是进气终了压力。一、进气终了压力进气终了压力pa提高，充量系数增大。而进气终了压力又受进气系统阻力的影响，进气系统的阻力是各段通道所产生的流动阻力的总和。包括空气滤清器、进气管、进气道及进气门等部分产生的阻力。1。空气滤清器的阻力空气滤清器是用来减少进气过程中进入气缸的灰尘，以减少气缸的磨损。由于空气滤清器的结构不同及使用中油污堵塞，会使其阻力增大，造成发动机充气性能大大下降，因此要求空气滤清器的滤清效果要好，而又不增加进气阻力。使用中应经常保养、清除油污、更换滤芯，以达到减少阻力和进气通畅第二节影响换气过程的因素下一页返回2。进气管道的阻力进气管道包括进气歧管和通向缸体和缸盖上的气体通道。其阻力的大小主要取决于进气管道的结构和尺寸。进气歧管的断面大则阻力小，可提高进气压力。但断面大，气体流速低，且易使燃料液态颗粒沉积在管壁上，使燃料的蒸发与雾化变差，各缸分配不均匀。因此进气管的断面大小受到一定限制，使进气形成一定阻力。此外，进气管的长度、表面粗糙度、拐弯及流通截面等，都会增加进气阻力。因此要求进气管有合适的长度与断面尺寸，拐弯处应有较大的圆角，管内表面光滑，安装时进排气接口及其衬垫口应对准，以减少进气阻力，提高充气效率3。进气门处的阻力在整个进气系统中，进气门处气流通过断面最小，而且截面变化大，是整个进气系统中产生阻力最大的地方，因此对进气压力的影响也最大。新鲜气体通过进气门，使进气终了压力降低。进气门通道断面的变化又取决于气门直径、锥角、升程和配气相位等多方面因素。第二节影响换气过程的因素上一页下一页返回二、进气终了温度新鲜气体进入气缸后，同高温机件接触，与残余废气混合，进气终了温度升高，气体密度减小，充量系数降低。此外，汽油机的进、排气管常铸成一体，利用排气管加热进气管，使燃油预热蒸发，也使进气温度升高，减少了循环充量。为了降低进气温度，在柴油机上常将进排气管分置在发动机两侧。三、压缩比的影响压缩比增加，余隙容积相对减小，使残余废气量相对下降，所以充量系数提高。但压缩比对充气效率的影响很小，而且其数值的选择主要是考虑燃烧和机件负荷的限制，一般而言，汽油机在保证正常燃烧的前提下，尽可能提高压缩比，以提高热效率；柴油机在保证各工况正常着火的前提下，不过分追求高压缩比，以免机件承受的负荷过大。第二节影响换气过程的因素上一页下一页返回四、转速与配气相位的影响进气流动阻力除了与进气系统的结构有关以外，还取决于新鲜气体的流速。气体流动引起的阻力与流速的平方成正比，而气体流速又与发动机转速有关，发动机转速提高，气体流速也提高，所以气体流动阻力也与发动机转速的平方成正比，如图2-3所示。随着转速的升高，气体阻力增大，使进气终了压力下降配气相位包括进排气门早开、迟闭，在进排气门早开、迟闭中，进气迟闭角对进气终了压力影响最大。最佳配气相位充气过程中各参数与发动机转速的关系如图2-4所示。由于发动机转速变化，气流惯性也发生变化，但进气迟闭角是不变的，因此当转速高时，气流惯性未被利用；转速低时，又会造成气体倒流，从而影响进气压力。通过选择适当的配气相位，可获得较高的循环充量和充量系数。第二节影响换气过程的因素上一页下一页返回五、负荷的影响汽油机与柴油机负荷调节方法不同，发动机的负荷变化对进气终了压力的影响也不同。柴油机进气行程进入气缸的空气量不变，负荷的调节是通过改变油量调节拉杆或齿条的位置，控制喷油量来实现的。由于转速不变，进气系统又无节流装置，因此流动阻力基本不变，所以当负荷变化时，进气终了压力也基本不变目前汽油机采用电控燃油喷射系统，可以减小进气阻力，提高进气终了压力，进气行程进入气缸的是空气和燃油的混合气，如图2-5所示六、排气终了压力由于排气系统有阻力，排气终了时气缸内残余废气压力总是要高于大气压力。排气终了压力高，残余废气密度大，残余废气量多，新气充量相对减小，充量系数下降。与进气过程相同，排气终了压力主要取决于排气系统的阻力，特别是排气门处的阻力，当转速上升时，流动阻力增大而排气终了压力增加，使排气终了压力减小第二节影响换气过程的因素上一页下一页返回七、排气终了温度排气终了温度过高，下一个进气行程容易形成气阻现象。排气终了压力pr过高残余废气系数pr大，使充气效率下降。因此，适当降低排气终了温度和排气终了压力，有利于提高下一个进气行程的进气量。第二节影响换气过程的因素上一页返回一、减少进气系统阻力影响进气压力的主要因素是进气系统的阻力。进气系统阻力的大小为各段通道阻力的总和。通过减小各段阻力，可达到减少进气系统阻力的目的。1。减小进气门处的阻力在整个进气系统中，进气门处的通过断面最小，而且变化大，气体流动阻力最大，是产生进气阻力的重要部位。采取下列措施可以减小进气门处的阻力。(1)增大进气门开启的时面值。气门开启断面与对应开启时间的乘积称为气门开启时面值。气门开启时间长、开启断面大，则气门开启时面值大，气流通过能力越强，阻力越小。如图2-6所示为气门开启时的通道断面和时面值。气门开后时面值F，主要取决于气门头部直径d1和d2、头部锥角α、气门升程hv和气门开启时间t等第三节改善换气过程的措施下一页返回增大进气门头部直径，减小气门头部锥角，增大气门升程，延长气门开启时间，均可扩大气门开启时面值，从而扩大气流通过能力，减少阻力提高充量系数。但增大气门直径受到燃烧室结构的限制，因此常用减小排气门头部直径的方法，相应增大进气门头部直径。现代发动机单进气门结构中，进气门直径可达活塞直径的45%～50%，气门和活塞面积比为0.2～0.25。气门锥角也受到强度、刚度的限制，增大气门升程和延长开启时间，又受惯性力和配气相位改变的限制。(2)合理控制进气门处气流的平均速度。(3)增加进气门的数目一般采用双进气门和双排气门或三个进气门、二个排气门的结构，提高充量系数2.减小进气管道阻力进气管道结构、尺寸及表面质量对充量系数有较大影响。进气管道应保证足够的气体流通面积和结构上的要求。第三节改善换气过程的措施上一页下一页返回汽油机还必须考虑燃料的蒸发、气化和分配；柴油机还应利于进气涡流的形成，以改善混合气的品质和燃烧等进气管截面形状通常有三种：圆形、矩形和D形。在相同截面情况下，圆形断面流动阻力最小，矩形最大，D形居中为了改善发动机低速时动力性和保证高速时进气充分，现代发动机还采用可变长度的进气管。由进气歧管转换电磁阀控制转换，在发动机高转速范围，电磁阀工作，使进气通道变短。近年来汽油机采用电控燃油喷射系统，取消了化油器，既可以减小进气阻力，同时又满足了混合气浓度、雾化和分配均匀等要求，得到广泛应用二、合理选择配气相位发动机进排气相位对发